2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——高溢怒能源材料的性能測(cè)試研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.在電化學(xué)性能測(cè)試中，循環(huán)伏安法（CV）主要用于研究（）。A.電極的電容B.電池的倍率性能C.電極/電解液界面的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程D.電池的循環(huán)壽命2.用于測(cè)定固體材料晶體結(jié)構(gòu)，確定晶格常數(shù)和物相組成的常用技術(shù)是（）。A.掃描電子顯微鏡（SEM）B.X射線衍射（XRD）C.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）D.原子力顯微鏡（AFM）3.X射線光電子能譜（XPS）能夠提供關(guān)于材料表面（）信息。A.元素組成和化學(xué)態(tài)B.微觀形貌和結(jié)構(gòu)C.熱穩(wěn)定性和氧化還原性D.電阻率和導(dǎo)電性4.在研究鋰電池正極材料時(shí)，差示掃描量熱法（DSC）可以用來(lái)測(cè)定（）。A.材料的密度B.材料的比表面積C.材料的熱分解溫度和放熱量d.材料的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度5.電化學(xué)阻抗譜（EIS）主要用于研究（）。A.電池的充放電容量B.電池內(nèi)部的電阻和電容行為C.材料的比表面積D.材料的機(jī)械強(qiáng)度6.對(duì)于一塊新的鋰離子電池，在評(píng)估其電化學(xué)性能前，通常需要進(jìn)行（）。A.結(jié)構(gòu)表征以確定活性物質(zhì)種類(lèi)B.交流阻抗測(cè)試以評(píng)估內(nèi)部電阻C.恒流充放電測(cè)試以測(cè)量容量和效率D.以上所有步驟7.紅外光譜（IR）技術(shù)主要用于分析物質(zhì)的（）。A.微觀形貌B.化學(xué)鍵和官能團(tuán)C.晶體結(jié)構(gòu)D.熱穩(wěn)定性8.在進(jìn)行材料性能測(cè)試時(shí)，選擇合適的測(cè)試方法的關(guān)鍵在于（）。A.測(cè)試儀器的價(jià)格B.測(cè)試方法的最新程度C.測(cè)試方法是否能有效表征所需研究的材料性能D.實(shí)驗(yàn)室是否具備該設(shè)備的條件9.恒電位間歇滴定法（GITT）通常用于研究（）。A.電極材料的擴(kuò)散系數(shù)B.電極/電解液之間的相變行為C.電池的循環(huán)壽命D.電極的比表面積10.下列哪種技術(shù)通常不用于直接測(cè)量固體材料的比表面積？（）A.BET法（氮?dú)馕剑〣.X射線衍射（XRD）C.透射電子顯微鏡（TEM）D.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.循環(huán)伏安法（CV）通過(guò)掃描______電位，控制電位變化速率，從而獲得電流-電位曲線。2.X射線衍射（XRD）技術(shù)是基于晶體對(duì)X射線的______現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)分析的。3.在電化學(xué)測(cè)試中，常用的參比電極是______電極，常用的輔助電極是______電極。4.材料的熱重分析（TGA）主要研究材料在程序控溫條件下的______和______隨溫度的變化關(guān)系。5.為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，在進(jìn)行材料性能測(cè)試前，需要對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行______和______。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述電化學(xué)阻抗譜（EIS）的基本原理及其在電池研究中的應(yīng)用。2.簡(jiǎn)要比較掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）在材料表征方面的主要區(qū)別。3.簡(jiǎn)述進(jìn)行電池恒流充放電測(cè)試時(shí)，需要記錄哪些關(guān)鍵參數(shù)？四、計(jì)算題（6分）假設(shè)某鋰離子電池在恒流充放電測(cè)試中，充電電流為1C（即1C-rate，表示1小時(shí)內(nèi)充滿(mǎn)或放空電池的容量），電池標(biāo)稱(chēng)容量為2000mAh。在完全充電后，電池電壓保持恒定為4.2V。如果在充電過(guò)程中，記錄的充電電壓隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)如下（部分?jǐn)?shù)據(jù)）：|充電時(shí)間(h)|電壓(V)||--------------|----------||0|3.8||1|3.9||2|4.0||3|4.1||4|4.2||5|4.2||...|...|請(qǐng)根據(jù)上述數(shù)據(jù)，估算該電池在充電至4.2V時(shí)的充電容量（單位：mAh）。假設(shè)電流恒定為1C。五、論述題（9分）論述選擇合適的能源材料性能測(cè)試方法時(shí)，需要考慮哪些主要因素？以鋰離子電池正極材料為例，說(shuō)明幾種常用測(cè)試方法（如循環(huán)伏安法、恒流充放電、XRD、SEM）分別可以提供哪些方面的信息，以及它們?cè)谘芯恐械膽?yīng)用側(cè)重。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.A4.C,D5.B6.D7.B8.C9.A10.B二、填空題1.掃描2.散射3.標(biāo)準(zhǔn)氫，鉑4.失重，質(zhì)量變化5.校準(zhǔn)，調(diào)試三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：阻抗譜通過(guò)施加小幅度交流信號(hào)，測(cè)量電路的阻抗隨頻率的變化。通過(guò)分析阻抗譜圖（通常是Nyquist圖或Bode圖），可以等效電路模型來(lái)模擬電池內(nèi)部電阻和電容的復(fù)合回路（如RC,RQ,RRC等），從而解析出電池的歐姆電阻、電荷轉(zhuǎn)移電阻、SEI膜電阻、擴(kuò)散阻抗等。應(yīng)用上，可以評(píng)估電池的內(nèi)阻、功率性能、循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能以及老化機(jī)制等。答案要點(diǎn)：利用小交流信號(hào)測(cè)量阻抗隨頻率變化；通過(guò)等效電路模型擬合阻抗數(shù)據(jù)；可解析歐姆電阻、電荷轉(zhuǎn)移電阻、擴(kuò)散阻抗等；用于評(píng)估電池內(nèi)阻、性能、老化機(jī)制。2.解析思路：SEM和TEM都是利用電子束與樣品相互作用成像的顯微鏡技術(shù)。SEM使用二次電子或背散射電子成像，景深大，適用于觀察樣品表面形貌、顆粒大小、分布等宏觀結(jié)構(gòu)，分辨率相對(duì)較低（幾納米到幾十納米）。TEM使用透射電子束成像，景深小，需要樣品非常薄（幾納米），但分辨率極高（可達(dá)0.1納米），可以觀察樣品的亞表面結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、精細(xì)形貌等微觀結(jié)構(gòu)。主要區(qū)別在于分辨率、景深、樣品制備要求和觀察尺度。答案要點(diǎn)：成像原理（電子束）；SEM觀察表面形貌，景深大，分辨率相對(duì)低；TEM觀察亞表面和精細(xì)結(jié)構(gòu)，景深小，分辨率高，樣品需薄。3.解析思路：恒流充放電測(cè)試是評(píng)估電池容量的基本方法。記錄的關(guān)鍵參數(shù)包括：電壓（隨時(shí)間和充電/放電進(jìn)程變化），電流（理論上恒定，實(shí)際會(huì)略有波動(dòng)），時(shí)間（記錄充放電開(kāi)始、結(jié)束的時(shí)間以及過(guò)程中的時(shí)間點(diǎn)）。根據(jù)充放電曲線和電流，可以計(jì)算出電池的充放電容量、效率、放電平臺(tái)電壓等關(guān)鍵性能指標(biāo)。溫度也是重要的監(jiān)控參數(shù)，但題目未要求。答案要點(diǎn)：電壓（隨時(shí)間變化）；電流（恒定值）；時(shí)間（充放電起止及過(guò)程時(shí)間）；用于計(jì)算容量、效率、平臺(tái)電壓。四、計(jì)算題估算充電容量=充電電流×充電時(shí)間充電電流=1C=2000mA（對(duì)應(yīng)電池容量）電池在4.2V時(shí)電壓保持恒定，說(shuō)明充電基本完成。從數(shù)據(jù)看，電壓在4小時(shí)達(dá)到4.2V并保持。充電時(shí)間≈4小時(shí)充電容量≈2000mA×4小時(shí)=8000mAh解析思路：1C-rate表示電池1小時(shí)內(nèi)充滿(mǎn)或放空其額定容量。題目給定電流為1C，標(biāo)稱(chēng)容量為2000mAh。恒流充電時(shí)，容量（mAh）等于電流（mA）乘以時(shí)間（小時(shí)）。題目數(shù)據(jù)表明，在4小時(shí)時(shí)電壓達(dá)到并維持在4.2V，可視為充電基本完成。因此，估算的充電容量即為電池的額定容量乘以充電時(shí)間。計(jì)算結(jié)果為8000mAh，這明顯大于電池標(biāo)稱(chēng)容量，通常這表示測(cè)試過(guò)程中發(fā)生了副反應(yīng)或計(jì)算基于不完全充電過(guò)程，或者題目數(shù)據(jù)/條件有簡(jiǎn)化。若按完全充電計(jì)算，容量應(yīng)等于標(biāo)稱(chēng)容量2000mAh，這需要充電時(shí)間精確到電池充滿(mǎn)的時(shí)刻。按題目給出的數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算，結(jié)果為8000mAh。五、論述題解析思路：選擇測(cè)試方法需考慮：1)需要研究的材料性能是什么？（目標(biāo)）2)測(cè)試方法的原理和適用范圍？（匹配性）3)測(cè)試的精度和分辨率要求？（精度）4)實(shí)驗(yàn)條件、成本和設(shè)備可用性？（可行性）5)測(cè)試過(guò)程的復(fù)雜性和樣品損傷？（易用性）以鋰離子電池正極材料為例：*循環(huán)伏安法（CV）：主要提供電化學(xué)性能信息，如氧化還原電位、電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程、法拉第電流、非法拉第電流（如SEI膜形成、副反應(yīng)），可用于研究材料的倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性的初步判斷、潛在活性位點(diǎn)等。*恒流充放電：提供基本的電化學(xué)性能數(shù)據(jù)，如可逆容量、放電平臺(tái)電壓、倍率性能、循環(huán)壽命、能量效率等，是評(píng)價(jià)電池實(shí)際應(yīng)用性能最直接、最常用的方法。*X射線衍射（XRD）：主要提供材料的晶體結(jié)構(gòu)信息，如晶相組成、晶格常數(shù)、晶粒尺寸、物相變化（如脫鋰/嵌鋰過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化、相變類(lèi)型），是研究材料結(jié)構(gòu)演變和穩(wěn)定性的重要手段。*掃描電子顯微鏡（SEM）：主要提供材料的表面和微觀形貌